1、农业生物环境与能源工程专业文献综述与专题讨论课程论文课题：_ 桁架结构的优化设计方法研究综述 专业：_ 农业生物环境与能源工程_姓名：_ 叶云青_ 学号：2008244005 评阅人： 蒋恩臣 教授 虚拟现实技术在城市规划中的应用李援转华南农业大学水利与土木工程学院,广东广州 2010244003Virtual reality applications in urban planningYuanzhuan LeeCollege of Water Conservancy and Civil EngineeringSouth China Agricultural University (SCAU)
2、Guangzhou，China1 引言城市是地区的核心，其规划在城市发展中占有至关重要的地位。多媒体技术、地理信息系统(GIS) 技术、Internet 以及虚拟现实(Virtual Reality, VR)技术的普及和发展，对城市规划产生了巨大影响。城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一，虚拟现实技术可以广泛的应用在城市规划的各个方面，并带来切实的利益。因此，各国纷纷将虚拟现实技术应用于城市规划设计。虚拟现实技术在城市规划上的应用也被称之为“数字城市”。运用虚拟现实技术展示规划设计成果，既可以实现传统设计手段难以达到的形象直观的视觉效果，还能够变传统的集中式规划模式为由规划设
3、计人员、决策者和社会大众共同参与的协作式规划模式，使城市规划设计更人性化 2。2 虚拟现实技术概述虚拟现实技术是 20 世纪末兴起的一门崭新的综合性信息技术，它以计算机仿真技术为前提，交叉与综合了计算机图形学、人机交互技术、传感器技术、人机接口技术以及人工智能技术等。它是一种能有效地模拟人在自然环境中的各种感知系统行为的高级的人机交互技术。虚拟现实利用计算机技术生成一个逼真的、具备视、听、触、嗅、味等多种感知的三维空间虚拟环境，通过将用户置身于该环境中，借助轻便的多维输入输出设备（如跟踪器、头盔显示器、眼跟踪器、三维输入设备和传感器等）和高速图形计算机，使用户自然地对虚拟现实世界进行体验和交互
4、作用。虚拟现实技术包括人件(Human Ware)、媒体件(Media Ware)、数据件 (Data Ware) 和网络件(Network Ware)四个部分 3。简单地说，虚拟现实技术就是用计算机创造现实世界 4。2.1 虚拟现实的基本的特征 5虚拟现实技术是当代信息技术高速发展，并且与其他技术集成的产物，是一种最有效的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。该技术的基本特征有如下三个方面：（1）浸没感(Immersion)又称临场感，指用户感到作为主角存在与模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该是使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中
5、的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。（2）交互感(Interaction)，指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度( 包括实时性)。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。（3）构想性(Imagination) 又称想像性，强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。一般来说，一个完整的虚拟现实系统由虚拟环
6、境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。2.2 虚拟现实的关键技术 3虚拟现实技术包括软件和硬件两大部分的支持。从软件方面讲，应具备以下功能：复杂的逻辑控制；模拟实时的相互作用；模拟人脑所有的智能行为；模拟复杂的时空关系，主要涉及时间与空间的同步等问题；感觉的表达，包括人的听觉、视觉、触觉、味觉和嗅觉的计算机表达；实时的数据采集、压缩、分析、解压缩；支持与虚拟环境交互的定位、操纵、导航等。从硬件支持的角度来
7、看，主要是计算机与周边设备的组合关系，表现在更大存储容量的存储设备；图像显示设备；数据采集与处理系统；虚拟现实技术的操作设备等。在虚拟现实技术的关键技术中，除了上述高性能计算机系统软硬件设备之外，还包括实时三维图形系统和虚拟现实交互技术。利用实时三维图形系统，可以生成具有逼真感的图形。虚拟现实是一种交互式和先进的计算机显示技术，双向对话是它的一种重要工作方式。3 虚拟现实技术在城市规划中的应用在国外，虚拟现实技术在城市规划中的应用起步于 20 世纪 80 年代，而在我国起步于20 世纪 90 年代。已有的实践表明，在城市规划中应用虚拟现实技术技术可以使规划师、评审专家、规划管理人员甚至普通市民
8、用动态交互的方式对未来的城市进行身临其境的体验，可以使他们对城市规划方案获得更直观、更全面的认识 1。与传统的沙盘、静态效果图、三维效果图相比，虚拟现实技术在城市规划设计中更能直观地反映设计者的思想。（1）传统沙盘最大的缺点在于其空间的限制性太大，不足以体现出整个项目的设计细节，同时将其他的媒体信息加盖其中亦存在着许多困难，导致信息量严重匮乏，而虚拟现实技术系统是通过计算机系统仿真的数字化沙盘，借助传统沙盘的设计模式提升到数字化的即看即所得的完美境界，大大提高了设计和规划的质量与效率，为用户提供了一个无限的虚拟空间 2。（2）静止的效果图只能向观者展示项目的某一个或某几个方面，对观者提出的其他
9、问题与要求必须以相近的图像或文字加以说明，运作起来不直观、不全面，具有相当大的局限性。而以虚拟现实技术为核心的多媒体介绍程序，不需要观看者发挥任何的想象力，以空前直观的方式将项目展现给观众 2。（3）虚拟现实所建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现” 2。不仅可以将城市中的建筑和道路等客观实体以三维的方式表现出来，还可以将人口和经济数据等客观世界中不可见的信息以三维的方式在相应的空间位置上表现出来。因此，用户在三维场景中任意漫游，人机交互，这样很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现；同时，大量的规划信
10、息以三维的方式被整合在一个统一的 VR 平台上，规划师对于空间的分析和处理也可以变得更加充分和合理，有利于减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。3.1 虚拟现实技术在城市规划中的关键技术 2（1）实时三维图形生成技术三维图形的生成技术已经较为成熟，在目前关键是如何实现“实时”生成。规划中的虚拟城市环境具有数据量庞大等特点，典型的大规模场景，难以达到实时制的技术要求，为此往往需要配置高性能计算机，如计算机图形工作站等。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新频率不低于 15 帧/s，最好高于 30 帧/s 。在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷
11、新频率是该技术的主要内容。（2）广角(宽视野)的立体显示技术在虚拟现实系统中，双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差产生了立体感。用户（头、眼）的跟踪:在人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头（眼）的方向来确定的。在用户与计算机的交互中，键盘和鼠标是目前最常用的工具，但对于三维空间来说，它们都不太适合。在三维空间中因为有六个自由度，很难找出比较
12、直观的办法把鼠标的平面运动映射成三维空间的任意运动。现在，已经有一些设备可以提供六个自由度，如3Space 数字化仪和 SpaceBall 空间球等。另外一些性能比较优异的设备是数据手套和数据衣。（3）GIS 与 VR 技术的集成技术虽然 VR-GIS 具有空间数据的真实表现，用户可从任意角度进行观察、侵入、实时交互，可在所选择的地理带（地理范围）内外自由移动；具有基于三维空间数据库 GIS 的基本功能；可视化部分为用户接口一个自然而完整的部分等优点，但在进行 VR-GIS 开发时，仍然在数据和图形处理方面存在问题。（4）交互技术在城市规划设计方案展示过程中，需要提供功能更强的交互技术，如何方
13、便地实时更换、移动场景中的建筑物模型，以便于审视和比较规划方案的合理性。如何保证多用户的场景一致性等技术问题；如何采用其他交互式，便于交流和发表评论，解决目前基于 Web的城市规划设计虚拟环境中采用文字的单一形式，限制了大市民的参与和使用的方便性等。4 结束语目前，虚拟现实技术潜力巨大，应用前景很广阔，政府越来越重视城市规划的作用。但由于城市规划是面对未来城市建设的，必须借助先进的计算机技术，虚拟现实技术的发展恰恰满足了城市规划的需要。将虚拟现实技术应用于城市规划，其优越性如下。（1）仿真城市风貌；（2）辅助规划审批，规避投资风险；（3）辅助城市土地与房产管理；（4）宏观调控城市区域经济结构；
14、（5）建立信息平台，服务城市建设；（6）展示规划成果，加强公共参与。地铁，建筑，道路，各种景观等这些城市的有形元素，先通过虚拟现实技术进行规划分析，再具体实施，最终达到城市的合理发展要求。但是，资料均显示虚拟现实技术目前在城市规划设计领域的应用仍然相当有限，在城市规划中的应用还主要停留在对城市未来景象的模拟上，强调的是给人一种逼真的视觉体验。主要表现在虚拟现实技术常常仅被作为规划方案的表现手段，尚未真正成为辅助规划设计的得力工具，同时能真正掌握虚拟现实技术的规划师比较少，虚拟现实技术仅在专家评审或公众参与时发挥较大的作用。近年来，随着计算机硬件软件技术的发展以及人们越来越认识到它的重要作用，虚拟技术在各行各业都得到了不同程度的发展，并且显示出广阔的应用前景，将使众多传统行业和产业发生革命性的改变。参考文献：1 陈宏伟,潘俊. 虚拟现实技术在城市规划设计中的应用 . 山西建筑, 2007,(31) .2 胡新根. 虚拟现实技术综述. 科技广场, 2007,(05) .3 牟长军,童志伟. 综述虚拟现实技术及其应用. 装备制造技术 , 2007,(01) .4 田野. 三维地理信息系统原型的设计与实现. 吉林大学 , 2007 .5 史慧珍,迟伟,党安荣. 虚拟现实技术实时辅助城市规划设计初探. 北京清华城市规划设计研究院
